Efeito da convecção forçada na macrossegregação durante a solidificação direcional do silício.

• Autor(a) principal: Nascimento, Denir Paganini
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-29082023-104800/
• topic: Refining; Refino; Silício; Silicon; Solidificação; Solidification

O fornecimento de silício purificado em quantidade e custo razoável é fundamental para a cadeia de produção de painéis fotovoltaicos. Uma das rotas tecnológicas para obter esse material com grau de pureza adequado (silício de grau solar) envolve uma etapa de solidificação unidirecional controlada de lingotes de silício grau metalúrgico. Devido a algumas propriedades específicas do silício, durante a solidificação unidirecional a maioria das impurezas metálicas é concentrada no líquido, resultando em um sólido muito mais puro que o sólido inicial. O transporte dessas impurezas no líquido pode afetar tanto a macrossegregação como a estabilidade de uma possível interface sólido-líquido plana. A morfologia plana, por sua vez, também pode facilitar a macrossegregação e, portanto, deve ser investigada. Alguns estudos envolvendo experimentos e modelos matemáticos abordaram os efeitos da convecção forçada no transporte de impurezas e suas consequências na macrossegregação. No entanto, a maior parte desses estudos tratou a convecção induzida por campos eletromagnéticos e suas análises eram limitadas à macrossegregação, sem a observação da macro e microestruturas dos lingotes obtidos. O presente trabalho objetiva estudar os efeitos da convecção forçada por um disco rotativo na macrossegregação de impurezas, na micro-macroestrutura bruta de solidificação e na morfologia da interface sólido-líquido durante a solidificação transiente e unidirecional de lingotes de silício de grau metalúrgico visando a obtenção do silício de grau solar. Foram conduzidos experimentos de solidificação unidirecional de silício grau metalúrgico com diversos níveis de convecção forçada, obtidos a partir de diferentes velocidades de rotação do disco. Os lingotes resultantes foram caracterizados quanto à macro e microestrutura e análises químicas foram realizadas em diversas regiões do lingote, permitindo a construção de perfis de macrossegregação dos diferentes tipos de impurezas. Verificou-se que a convecção forçada aumenta a macrossegregação de impurezas e também a extensão da região do lingote sem a presença de intermetálicos. As análises químicas indicaram que a região sem intermetálicos tem reduzida concentração de impurezas (região purificada). Um modelo matemático baseado na análise da transferência de calor e massa em conjunto com parâmetros de estabilidade propostos na literatura foi implementado, mostrando que as condições dos experimentos realizados permitem a presença de uma interface sólido-líquido plana durante a solidificação da região purificada, o que pode também ter contribuído para a purificação do silício.